Proof automation and type synthesis for set theory in the context of TLA+
Automatisation des preuves et synthèse des types pour la théorie des ensembles dans le contexte de TLA+
Résumé
This thesis presents effective techniques for discharging TLA+ proof obligations to automated theorem provers based on unsorted and many-sorted first-order logic. TLA+ is a formal language for specifying and verifying concurrent and distributed systems. Its non-temporal fragment is based on a variant of Zermelo-Fraenkel set theory for specifying the data structures. The TLA+ Proof System TLAPS is an interactive proof environment in which users can deductively verify safety properties of TLA+ specifications. While TLAPS is a proof assistant that relies on users for guiding the proof effort, it generates proof obligations and passes them to backend verifiers to achieve a satisfactory level of automation.
We developed a new back-end prover that soundly integrates into TLAPS external automated provers, specifically, ATP systems and SMT solvers. Two main components provide the formal basis for implementing this new backend. The first is a generic translation framework that allows to plug to TLAPS any automated prover supporting the standard input formats TPTP/FOF or SMT-LIB/AUFLIA. In order to encode higher-order expressions, such as sets by comprehension or total functions with domains, the translation to first-order logic relies on term-rewriting techniques coupled with an abstraction method.
Sorted theories such as linear integer arithmetic are homomorphically embedded into many-sorted logic. The second component is a type synthesis algorithm for (untyped) TLA+ formulas. The algorithm, which is based on constraint solving, implements one type system for elementary types, similar to those of many-sorted logic, and an expansion with dependent and refinement types. The obtained type information is then implicitly exploited to improve the translation. Empirical evaluation validates our approach: the ATP/SMT backend significantly boosts the proof development in TLAPS
Cette thèse présente des techniques efficaces pour déléguer des obligations de preuves TLA+ dans des démonstrateurs automatiques basées sur la logique du premier ordre non-sortée et multi-sortée. TLA+ est un langage formel pour la spécification et vérification des systèmes concurrents et distribués. Sa partie non-temporelle basée sur une variante de la théorie des ensembles Zermelo-Fraenkel permet de définir des structures de données. Le système de preuves TLAPS pour TLA+ est un environnement de preuve interactif dans lequel les utilisateurs peuvent vérifier de manière déductive des propriétés de sûreté sur des spécifications TLA+. TLAPS est un assistant de preuve qui repose sur les utilisateurs pour guider l’effort de preuve, il permet de générer des obligations de preuve puis les transmet aux vérificateurs d’arrière-plan pour atteindre un niveau satisfaisant d’automatisation.
Nous avons développé un nouveau démonstrateur d’arrière-plan qui intègre correctement dans TLAPS des vérificateurs externes automatisés, en particulier, des systèmes ATP et solveurs SMT. Deux principales composantes constituent ainsi la base formelle pour la mise en oeuvre de ce nouveau vérificateur. Le premier est un cadre de traduction générique qui permet de raccorder à TLAPS tout démonstrateur automatisé supportant les formats standards TPTP/ FOF ou SMT-LIB/AUFLIA. Afin de coder les expressions d’ordre supérieur, tels que les ensembles par compréhension ou des fonctions totales avec des domaines, la traduction de la logique du premier ordre repose sur des techniques de réécriture couplées à une méthode par abstraction. Les théories sortées telles que l’arithmétique linéaire sont intégrés par injection dans la logique multi-sortée. La deuxième composante est un algorithme pour la synthèse des types dans les formules (non-typées) TLA+. L’algorithme, qui est basé sur la résolution des contraintes, met en oeuvre un système de type avec types élémentaires, similaires à ceux de la logique multi-sortée, et une extension avec des types dépendants et par raffinement. Les informations de type obtenues sont ensuite implicitement exploitées afin d’améliorer la traduction. Cette approche a pu être validé empiriquement permettant de démontrer que les vérificateurs ATP/SMT augmentent de manière significative le développement des preuves dans TLAPS
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